基于不同地质泥水平衡顶管施工机型的选择

侯德国

（山东水发环保集团有限公司，山东 济南 250100）

工程顶管施工是否能够成功完成主要是受到顶管机头设备的影响。在施工中，要结合工程不同地质的实际情况来选择使用不同的顶管机头设备，同时还要分析施工效率、施工技术以及地表变形控制精度等。在施工开始前，就要全面的分析地质条件、水文状况、工期、工程造价、工程安全以及对于环境的影响，从而选择合适的顶管设备。

1 工程概况

青岛、烟台、濰坊、威海4市是山东省水资源十分紧缺的地区。2013年以来，受厄尔尼诺现象影响，连续的干旱少雨使当地水资源面临枯竭，且4市外来客水补充不足，严重的缺水已成为当地经济社会发展的最大制约因素。为缓解供水危机，2016年山东省人民政府防汛抗旱总指挥部启动抗旱4级应急响应，山东省委省政府及时决策、紧急启动了黄水东调工程建设，目前已启动了应急工程、二期工程、青岛市承接工程，输水管线超160km，输水管径之长、直径之大、焊接之难在全国都比较罕见，其中涉及顶管工程19处，长度5585m，全部采用泥水平衡法顶管施工。

2 工程地质

冲洪积平原区管道基础主要坐于Ⅲ-②层粉质壤土下部、Ⅲ-③-1层含砾粘土上部，持力层力学性质较好，可采用天然地基。该段基槽边坡岩土层以粘性土、壤士为主，偶见砂性土，基槽稳定性总体一般。

剥蚀平原区段管道基础主要坐于1-②层粉质壤土下部、1-③层粘土上部、Ⅰ-⑥-1层强风化变粒岩上部，持力层力学性质较好，可采用天然地基。基槽边坡岩士层以粉质壤土、粘性土、强风化岩为主，稳定性一般较好，应采取分级放坡形式，并做好降水措施，将地下水位降至管沟底面以下且不应小于0.5m。

剥蚀丘陵段管线基础主要坐于Ⅱ-⑥-1层强风化变粒岩上部，局部坐于Ⅱ-⑥-2层弱风化变粒岩顶部。此二岩土层承载力较高，稳定性较好。管道基槽开挖边坡岩土层主要为Ⅱ-①层素填土、Ⅱ-③层粘土、Ⅱ-⑥-1层强风化变粒岩及少量Ⅱ-⑥-2层弱风化变粒岩，极少段基槽边坡可揭露出Ⅱ-②-2层粉质壤土。该段基槽边坡岩士层以粘性土、强风化岩为主。

3 地质分析及对比

根据地质条件，本区主要为淤泥质黏土、砂性土、强风化岩、微风化及中风化岩。

3.1 各种地质分析

淤泥质黏土：此种软土的形成是在较弱的海浪岸流及潮汐的水动力作用下逐渐形成的。土的颜色多呈灰色或黑灰色，光润油滑且有腐烂植物的气味，多呈软塑或半流塑状态。其天然含水量很大，一般都大于30%，饱和度一般大于90%，液限一般在35%～60%之间，软土的天然重度较小，约在15～19kN/m3之间。孔隙比都大于1，因其天然含水量高、孔隙比大，就带来了软土地基变形大、强度低的特点。

砂性土：由于曾受到海水的冲击，部分地区沉积层含有海水所搬运的大量沉积物，其中主要为细砂及粉砂。由于含黏土的成分较少，可称之为砂性土。砂性土的土颗粒较一般的黏土大，一般在20μ以上，土颗粒之间的凝聚力较小，呈单粒结构。孔隙比较大，很容易在水动力的作用下产生流沙现象。

强风化岩：强风化岩是指风化很强的岩石，此种土质的组织结构已大部分破坏，矿物成分已显著变化，含有大量黏土质黏土矿物。风化裂隙很发育，岩体被切割成碎块，干时可用手折断或捏碎，浸水或干湿交替时可较迅速地软化或崩解。用镐或锹可挖掘，干钻可钻进。

微风化及中风化岩：微风化岩是指岩质新鲜、表面稍有风化迹象、强度大于50MPa、硬度很高的岩石。在此地层中顶进较困难，而且一般顶进距离超过100m时需要更换刀头。中风化岩较软，其组织结构部分破坏。矿物成分发生变化，用镐难挖掘。

3.2 机型的选择

对于淤泥质黏土，由于其土质较软，切削容易，因此可以选用各种掘进机，比如人工手掘顶管施工方式、单刀密闭式刀盘泥水平衡式顶管机；对于砂性土可采用开口面大、条幅式刀盘土压平衡式顶管机；地质为强风化岩条件下可采用偏心破碎泥水平衡掘进机及敞开式掘进机顶进；中风化岩以及弱风化岩条件下采用大刀盘土压平衡顶管机或者是应用二次破碎功能的泥水平衡顶管机；如果地下水含量较高就只能采用岩盘泥水平衡顶管机。基于以上分析，受工程进度影响，直接排除了人工掘进式顶管施工。

3.3 选择机型的优势

经过科学认真的分析论证，确定采用破碎式岩盘泥水平衡式顶管机，它具有其他类型顶管机无法比拟的优势：

（1）泥水加压使流砂层开挖面稳定安全；

（2）水位以下能常压作业（无需气压）；

（3）滞水砂层、含水量高的黏土层及高水压砾石层，泥水平衡顶管都能施工，其适应土质范围较广；

（4）管路排泥、连续出土效率高，速度快，适合超长距顶管；

（5）噪声较小，管内干净，地下工作环境好；

（6）泥水平衡式顶管便于实现连续测量，顶管精度高。

4 破碎工具及刀盘的应用

4.1 破碎工具及刀盘选择

切削刀盘的选择与应用可以将刮削齿、滚刀等结构联合起来，将其安装在刀盘结构上。前者的主要作用就是进行土层的施工，并且还安装有硬度较高的合金刀具，在旋转进入过程中可以将地层中的石块进行破碎。滚刀通常都是处理地质条件中所存在的砂砾强风化岩层，并且会随着设备的轴线位置进行滚动前进。主要的动力是液压装置，在岩石表层施加垂直作用力，直接将岩石破碎，达到施工的目的。

受工程各类复杂地质影响，最突出的问题是刀具的耐磨性问题。在砂砾地层中，刀具的磨损很大，如果不采用高硬度的耐磨材料，势必存在中途更换的问题，增加施工难度。本工程顶管要求在透水性高的砂砾层和高水头环境中顶进，并保证最长顶进900m不中途换刀，所以刀头的正面和侧面均采用超硬质合金PR30（是目前世界上最硬的合金），且为了提高其抗折断能力，掺入稀有金属钴。

刀具采用中心切削刀、先行刀、外周刀和主切削刀等多种刀具，分别安装在刀盘中心、进泥口、刀盘面和刀盘外周，并使用超刀（超出顶管机外径5～10mm）。主切削刀随刀架在顶进过程中按刀盘的旋转方向反向摇动（角度为±8°），可有效防止磨耗，与同样材质的不摇动刀头相比，在同样条件下可延长寿命1倍。2对主切削刀排在面板上呈十字形布置，分别由独立的液压系统操作，1对工作，1对备用，既确保了全程顶进的完成，又最大程度地避免了在砂性土层中途面板换刀时的复杂作业。

4.2 破碎工具及刀盘布置

为了能够有效的降低侧壁与周边岩石的摩擦力，在刀盘的外径中分别安装扩孔滚刀，其布置的方式成120°夹角。该结构主要用来在顶进施工中在孔内形成一个稳定的环形空间，为后续注浆减摩提供基础条件；其次，在所有破碎工具的轮廓位置上都设置有进渣口，在施工过程中将石块实施二次破碎施工，并且再利用泥水作为介质将内部的渣体排出干净，以保证施工顺利进行。

4.3 破碎工具及刀盘磨损分析与更换

本次工程需要穿越砂砾强风化岩层，所以在施工开始前的准备过程中，技术人员已经预见到在施工过程中会严重的磨损破碎工具。为了更好的查看并且维修该结构，在顶管机内部到工作面中设置了检查人孔，便于在施工中进行检查，同时也可以在发现刀具严重磨损之后立即更换。顶进施工的深度达到90m之后应该进行首次开舱门，然后检查破碎工具的磨损情况。从检查结果可以了解到，刀盘外部周边的3个扩孔滚刀以及部分刮削齿出现了严重的磨损问题，而处于刀盘中心位置上的滚刀却没有过度磨损的问题。在选择顶管机机头之前，需要充分考虑到地质条件的影响因素，尤其在强度较大的岩层结构中施工，必须要适当增大滚刀的硬度和精度，还应该适当增大刀盘的外径挡板强度，从而有效的避免刀盘过度磨损导致的结构损坏。在滚刀出现损坏需要更换的情况下，一般都是操作人员进入到刀盘内部，将固定的螺栓拆除之后进行 更换。

5 设备的安全性和可靠性

顶管机的顶进面通过隔仓板和机内完全隔离，顶进面的砂土和泥水只能通过送排泥管路进出，送水和排泥管路上均设方阀门控制和压力、流量仪表监视系统。超长距离砂砾地层中顶进时的防磨损措施有：刀盘的剪切破碎功能（第一次破碎）；机头二次破碎功能（第二次破碎）；对黏土的防堵机能；对付全地质（除岩盘）功能；采用的刀具配置；采用可更换使用的备用刀盘；刀盘面板的强化和改造；采用止水密封。

6 结束语

经过3年多的奋战，山东省黄水东调顶管工程已经取得了圆满成功，应急工程、二期工程也已稳步向供水目标供水。顶管工程作为所有工程的控制性工程，顶管机的选型是其成功的关键，为类似工程的施工积累了宝贵的技术经验。顶管工程在正式施工前，应该全面的分析地质条件、水文状况、工期等，选择合适的施工机械设备，提高工程质量，保证工期。